車用渦輪增壓器壓氣機(jī)3D模型的建立

阮聰 雷汝婧

摘 要：借助3D模型軟件CATIA實(shí)現(xiàn)對(duì)某型號(hào)的中小型渦輪增壓器的建模。通過(guò)對(duì)廠家給出的渦管殼體進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，完成三維模型的建立，最后完善蝸殼外部的各個(gè)強(qiáng)度加強(qiáng)塊。

關(guān)鍵詞：渦輪增壓器；CATIA；3D建模

汽車增壓器是通過(guò)給汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸輸送高密度的壓縮空氣來(lái)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率從而提升發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。最常用的是機(jī)械增壓器和渦輪增壓器。在機(jī)械增壓中，通常是以犧牲一些發(fā)動(dòng)機(jī)效率來(lái)提供發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。圖1機(jī)械增壓示意圖。機(jī)械增壓器的動(dòng)力源于發(fā)動(dòng)機(jī)本身，從而在增加發(fā)動(dòng)機(jī)功率的同時(shí)減弱的發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率，原因是連接發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的傳送帶直接將發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩傳遞給壓氣機(jī)進(jìn)行增壓工作。渦輪增壓器的壓氣機(jī)則是由渦輪來(lái)提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的，而渦輪是由發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣帶動(dòng)渦輪葉片而轉(zhuǎn)動(dòng)的。圖2表示了汽車渦輪增壓器的主要工作過(guò)程以及與發(fā)動(dòng)機(jī)連接各個(gè)零部件的分布。表1表示出圖2各個(gè)零部件的名稱。從圖中可以看出，渦輪增壓器的動(dòng)力源自于發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣，這樣發(fā)動(dòng)機(jī)就不為推動(dòng)渦輪工作而提供而外的功率。安裝渦輪增壓器的發(fā)動(dòng)機(jī)就可以在不損失發(fā)動(dòng)機(jī)效率的同時(shí)提升發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。因此渦輪增壓器廣泛的運(yùn)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中。發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力源自于發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)混合的空氣和汽油的混合體。大型發(fā)動(dòng)機(jī)需要更多的空氣以獲得更好的燃燒效率而產(chǎn)生更大的功率。如果小型發(fā)動(dòng)機(jī)想要輸出像大型發(fā)動(dòng)機(jī)那樣的功率，或者是讓大型發(fā)動(dòng)機(jī)獲得更大的輸入功率就必須往發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中輸入更多的空氣。因此安裝渦輪增壓器就為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的。圖3顯示出渦輪增壓器的基本結(jié)構(gòu)剖面圖，主要分為壓氣機(jī)，渦輪機(jī)，連接軸，潤(rùn)滑部件。表2標(biāo)出了渦輪增壓器各個(gè)部件的具體名稱。

本文研究的渦輪增壓器模型原型為中小型渦輪增壓器，其主要用于1.5L到2.0L發(fā)動(dòng)機(jī)排量的乘用車。增壓器設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為120，000轉(zhuǎn)，增壓比為1.2，其設(shè)計(jì)壓氣機(jī)入口的質(zhì)量流量的參數(shù)值為0.055kg/s。表3為研究用渦輪增壓器壓氣機(jī)基本設(shè)計(jì)參數(shù)。這個(gè)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)是通過(guò)這款渦輪增壓器壓氣機(jī)的廠家性能曲線圖得到的。所選的參數(shù)為本款壓氣機(jī)的正常設(shè)計(jì)工作工況。圖4壓氣機(jī)基本外形，表4為壓氣機(jī)基本外形參數(shù)。通過(guò)這個(gè)參數(shù)確定好壓氣機(jī)的整個(gè)外形尺寸。再通過(guò)3D模型軟件CATIA進(jìn)行建模。筆者通過(guò)對(duì)廠家給出的渦管殼體數(shù)據(jù)和親自測(cè)量，完成了三維模型的建立。建模中首先畫出渦管，再加入無(wú)葉片擴(kuò)壓器，最后完善蝸殼外部的各個(gè)強(qiáng)度加強(qiáng)塊。圖5為CATIA建立的渦輪增壓器壓氣機(jī)3D外殼模型。

為了完成壓氣機(jī)的流體流動(dòng)模擬，還需要建立氣壓的葉片模型。葉片由6個(gè)主葉片和6個(gè)次葉片組成。加入次葉片的設(shè)計(jì)可以更好的避免葉片間的不規(guī)則流動(dòng)。葉片的模型生成是由ANSYS軟件中的BLADEGEN模塊完成。首先輸入基本的壓氣機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)，如圖6所示。然后BLADEGEN就可以自動(dòng)生成所需的模擬葉片基本模型參數(shù)，再對(duì)基本模型參數(shù)的尺寸進(jìn)行確定，如圖7所示。最后就可以得到圖8所示的葉片模擬模型。

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項(xiàng)目來(lái)源：湖北省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目《汽車渦輪增壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)與制作》（編號(hào)：201811654040）

作者簡(jiǎn)介：阮聰（1997-），男，漢族，湖北黃岡人，武漢商學(xué)院16級(jí)車輛工程專業(yè)。

*通訊作者：雷汝婧（1988-），女，漢族，湖北武漢人，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)流體力學(xué)。